В Египте группа туристов замечает, что знаменитая пирамида Хеопса была похищена и заменена надувным муляжом. Далее сюжет переносится к мужчине по имени Грю. Он — настоящий суперзлодей, имеющий собственный дом, транспорт и армию миньонов. Ему не нравятся любые тревожащие его незнакомцы. Однажды в дверь дома Грю стучатся три девочки-сиротки, разносящие печенья. Их зовут Марго, Эдит и Агнес. Последняя очень любит плюшевых единорогов. Грю не впускает их. Выясняется, что девочки живут в детском доме для девочек, хозяйкой которого является мисс Хэтти, которая не любит никого из детей.
Узнав про похищение пирамиды, Грю обращается с речью к миньонам, говорит, что украл большой монитор с Таймс-Сквер, статую Свободы из Лас-Вегаса и Эйфелеву башню, оттуда же, и что он собирается похитить Луну при помощи уменьшающего луча, чтобы стать самым гадким злодеем в мире. Миньоны его поддерживают. Но в плане есть один изъян: для совершения проекта нужны деньги, а у Грю их нет. Он собирается взять деньги в Банке Зла, которым владеет мистер Перкинс. Там Грю встречает молодого злодея Вектора. Грю всё рассказывает Перкинсу, но тот не даёт ему деньги на проект, если у него не будет прибора Уменьшителя. Ему удаётся украсть у военных Уменьшитель, но неожиданно появляется Вектор и крадёт Уменьшитель.
Грю пытается проникнуть в крепость Вектора, где тот держит Уменьшитель, но все попытки оказываются безуспешными. Он замечает, что девочки Эдит, Марго и Агнес несут коробки с печеньем Вектору, который без ума от этого лакомства. И тут у Грю появляется идея: создать роботов в виде печенья, те проникнут вместе с настоящим печеньем в дом Вектора, дойдут до сейфа, где лежит Уменьшитель и доставят его Грю. Но сначала надо было забрать девочек из приюта. Ему удаётся забрать Эдит, Агнес и Марго из приюта. Но дом Грю им не нравится. Грю устанавливает для них правила и укладывает их спать в кроватях из старых бомб.
На следующее утро Грю планирует отвести девочек к Вектору, чтобы они продали ему ещё печенье, в котором спрятаны миниатюрные роботы-шпионы. Но девочки хотят отправиться в школу танцев, Грю соглашается с ними и попадает в балетную школу. Там Агнес даёт ему билет на скорое выступление девочек. Грю обещает, что будет на выступлении, но не собирается на него приходить.
С помощью девочек, Грю удается украсть Уменьшитель прямо из-под носа Вектора. Пока миньоны и доктор Нефарио работают с Уменьшителем, Грю проводит всё больше и больше времени с девочками. Несмотря на добытый Грю Уменьшитель, Перкинс отказывается предоставить Грю кредит. Когда расстроенный Грю открыто объявляет миньонам, что кража Луны отменяется, миньоны вместе утешают Грю и отдают ему свои сбережения. Летательный аппарат для достижения Луны и возвращения обратно решают построить из подручных материалов. План возобновляется.
Нефарио не нравится, что у Грю нет времени на постройку ракеты, и поэтому звонит в детский дом, чтобы девочек забрали. Грю очень расстроен, но откладывать похищение Луны теперь нельзя.
Грю заходит в готовую ракету. По пути туда миньоны Джерри и Стюарт тайно подкладывают в карман скафандра билет на «Лебединое озеро». Грю удаётся долететь до Луны и уменьшить её, но тут он замечает билет на выступление. С бешеной скоростью он возвращается обратно, но концерт уже закончился.
Тут Грю замечает послание Вектора, который похитил девочек и хочет, чтобы тот отдал ему Луну. Грю даёт Луну Вектору, но тот не собирается выпускать ребят. Грю проходит ловушки дома Вектора, и парень улетает на спасательной капсуле. Грю оказывается на только что увеличенном корабле вместе с Нефарио и миньонами, следовательно, должна увеличиться и Луна! Девочки выбираются из плена Вектора, и Грю просит их спрыгнуть вниз. Агнес и Эдит успешно спрыгивают, но Марго в последний момент ловит Вектор. Марго и Грю падают вниз, однако их поймали миньоны, сцепившиеся в верёвку. Луна приобретает нормальные размеры, Вектор оказывается там. Грю становится для девочек настоящим папой.